Welches ist das beste Material für Roboterhardware? – Strukturteile

Roboter werden weltweit immer beliebter, da sie schneller und kostengünstiger sind. Manche Roboter verfügen über eine feste Vorprogrammierung; beispielsweise können manche Roboter in der Industrie nur Schweißarbeiten durchführen. Manche Roboter nutzen häufig künstliche Intelligenz (KI), um zu lernen, sich an jede Umgebung anzupassen und Entscheidungen zu treffen. Diese KI-basierten Roboter sind technologisch fortschrittlicher. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Robotern in verschiedenen Branchen, darunter Hotels und Bibliotheken, bietet dieser Artikel Informationen zu den bevorzugten Materialien für Roboterhardware, insbesondere Strukturteile.

Warum ist die Materialauswahl für Roboter wichtig?

Wie bereits erwähnt, gibt es heutzutage verschiedene Robotertypen, die sich in ihren Fähigkeiten zur Ausführung verschiedener Aktionen unterscheiden. Jeder Roboter benötigt daher eine geeignete Aktionsart. Beispielsweise muss ein Roboter in einem Flugzeug eingesetzt werden, was bedeutet, dass das Material seiner Bauteile leicht und robust sein muss. Um die maximale Leistung eines Roboters zu erzielen, ist die Wahl des richtigen Materials wichtig.

Was macht ein Material „gut“ für Roboterhardware?

Die Roboterhardware ist ein empfindlicher Bestandteil eines Roboters. Daher gilt jedes Material, das diese Anforderungen erfüllt, als gutes Material. Das Hauptkriterium ist, ob ein Material ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Eigenschaften wie Kosten, Gewicht, Festigkeit usw. aufweist und sich für Roboterhardware eignet.

Übersicht über die Liste der Roboter-Hardwarekomponenten:

Die folgende Tabelle zeigt einige wichtige Hardwarekomponenten eines Roboters:

Wichtige Eigenschaften zum Vergleich: Stärke, Gewicht, Kosten, Haltbarkeit

Im obigen Abschnitt haben wir diese Eigenschaften lediglich als Kriterium für ein gutes Material genannt. In diesem Abschnitt werden wir sie jedoch etwas ausführlicher vergleichen.

Stärke

• Material mit hoher Festigkeit erfordert große Kraft, um es zu brechen

Körpergewicht

• Leichte Materialien machen Roboter leicht beweglich

Cost

• Kostengünstige Materialien sind immer vorzuziehen

Langlebigkeit

• Haltbarkeit bedeutet Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß, Korrosion usw.

Metallliste für Roboterhardware

Es ist schwierig, ein Material zu finden, das alle erforderlichen Eigenschaften wie hohe Festigkeit, geringes Gewicht und Kosteneffizienz vereint. Es gibt zahlreiche Materialien wie Stahl, Aluminium, Titan usw., die sich durch unterschiedliche Eigenschaften auszeichnen. Dieser Abschnitt bietet umfassende Informationen zu diesen Materialien im Hinblick auf Roboterhardware und Strukturteile.

Stahl vs. Aluminium vs. Titan: Welches Metall passt zu Ihrem Roboter?

In diesem Abschnitt haben wir einige Primärmetalle untersucht, die zur Herstellung von Strukturteilen eines Roboters verwendet werden. Wir haben diese Metalle hinsichtlich ihrer Eigenschaften und ihrer Anwendungen verglichen.

Stahl (4140 und 304)

Bei Stahl werden die Stahllegierungen 4140 und 304 häufig in Strukturteilen verwendet, beispielsweise bei der Herstellung von Chassis von Robotern. 4140-Stahl ist ein legierter Stahl, dessen Hauptlegierungselemente Cr und Mo sind, während 304 ein austenitischer Edelstahl ist.

Immobilien

• Langlebig, hochfest, aber schwer, kostengünstiger als Ti

Anwendungsbereiche

Fahrgestell/Rahmen: Aufgrund seiner hohen Tragfähigkeit und strukturellen Integrität wird Stahl bei der Herstellung von Schweißroboterarmen verwendet.

Fortbewegungssystem: In der Robotik werden bei Anwendungen mit hoher Beanspruchung bevorzugt Stahlverbindungen verwendet.

Aluminium (6061-T6 und 7075-T6)

Die Güten 6062-T6 und 7075-T6 werden häufig in Roboterhardware, beispielsweise in Endeffektoren, verwendet. Die Güte 6062-T6 Al ist eine Si-Mg-Legierung, während die Güte 7075-T6 als Aluminium für die Luftfahrt gilt. T6 bedeutet, dass beide Legierungen einer Wärmebehandlung und künstlichen Alterung unterzogen wurden.

Immobilien

• Korrosionsbeständig, leicht und mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis

Anwendungen

Endeffektor:Al-Greifer kommen dort zum Einsatz, wo hohe Präzision ohne zusätzliches Gewicht gefordert ist. 

Rahmen/Fahrgestell: Al wird zum Erstellen von Rahmen für Hochgeschwindigkeitsdrohnen verwendet.

Titan (Grad 5 und Grad 2)

Titan der Güteklassen 5 und 2 wird in Roboterhardware, z. B. in Bewegungssystemen und Sensorsystemen, verwendet. Titan der Güteklasse 2 ist reines Titan, Titan der Güteklasse 5 ist eine Titanlegierung, die Al und V enthält.

Immobilien

• Leichter und stärker als Stahl, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit

Anwendungen

• Sensorsystem: Titangehäuse werden in Roboterhardware zum Schutz des Sensorsystems verwendet.
• Fortbewegungssystem: Titan-Aktuatoren sorgen für Gewichtsreduzierung und Haltbarkeit und werden daher in kritischen Robotern wie Operationsrobotern eingesetzt.
• Medizinische Roboter, Luft- und Raumfahrtanwendungen

Magnesium:

Mg wird in der Luft- und Raumfahrtrobotik verwendet. Zu seinen wichtigsten Legierungselementen gehören Al und Zn.

Immobilien

• Extrem leicht und hat eine gute Festigkeit, ist aber nicht so langlebig
• Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
• Hervorragend zur Schwingungsdämpfung

Anwendungen

Luft- und Raumfahrtrobotik: Mg wird für Satellitenrahmen verwendet, bei denen geringes Gewicht die Hauptanforderung ist

Tragbare Exoskelette: Mg wird in medizinischen Rehabilitationsrobotern verwendet, um die Ermüdung der Benutzer zu verringern

Kupfer, Messing und Bronze

Kupfer, Messing und Bronze sind Materialien, die aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden. Beispielsweise besteht C101 Cu zu 99.99 % aus reinem Kupfer und wird häufig in Roboterhardware verwendet.

Immobilien

• sehr hohe elektrische Leitfähigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit

Anwendungen

• wird in elektrischen Komponenten als Verbindungsstück verwendet

Kunststoffliste für Roboterhardware

Wenn wir den Einsatz von Kunststoffen in Roboterhardware sehen, denken wir zunächst an ihre hohe Festigkeit und Temperaturbeständigkeit. Dank der Fortschritte in der Materialwissenschaft ist die Antwort ja. Wir verändern die Mikrostruktur der Kunststoffe und machen sie dadurch widerstandsfähiger. Dieser Abschnitt stellt einige wichtige Kunststoffe in der Roboterhardwareindustrie vor.

ABS vs. Nylon vs. Polycarbonat: Welcher Kunststoff ist robuster?

Im Folgenden sind einige Eigenschaften aufgeführt, die darüber entscheiden, welches Kunststoffmaterial robuster ist.

ABS:

ABS steht für Acrylnitril-Butadien-Styrol. Es ist ein thermoplastischer Kunststoff und somit recycelbar. Es wird in Strukturkomponenten von Robotern verwendet, beispielsweise in 3D-gedruckten Halterungen.

Immobilien

• Amorph, undurchsichtig
• Hohe Zähigkeit und Schlagfestigkeit
• Gute Steifigkeit 0–2.4 GPa
• Leicht zu formen, zu bearbeiten und zu lackieren
• Kostengünstig

Anwendungen

Strukturrahmen: Aufgrund der einfachen Bearbeitung wird es in kostengünstigen Lernrobotern verwendet, z. B. LEGO Mindstroms

Endeffektorgehäuse: Ihre hohe Schlagfestigkeit schützt die Sensoren in kollaborativen Robotern

• Wird im 3D-Druck, in der Automobilindustrie und in der Lebensmittelverarbeitung verwendet

Nylon: Nylon 6/6 vs. Nylon 12

Nylon ist ein synthetisches Polymer mit Amidbindungen (CO-NH). Nylon 6/6 besteht aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure, wobei 6/6 die Anzahl der C-Atome in jedem Monomer bezeichnet. Es ist ein sehr steifer Kunststoff, ein steifes und hochfestes Polymer. Jedes Monomer enthält 12 C-Atome; daher der Name Nylon-12.

• Nylon 6/6: Zahnräder und Buchsen

Wird aufgrund seiner Verschleißfestigkeit und hohen Festigkeit in Zahnrädern und Buchsen von SCARA-Robotern verwendet.

• Nylon 12: Flexible Teile im 3D-Druckverfahren

Aufgrund seiner chemischen Beständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften wird es in 3D-gedruckten flexiblen Teilen (Pick-and-Place-Robotern) verwendet.

In der Z-Achse von Deltarobotern reduzieren Nylonbuchsen das Gewicht und verbessern so direkt die Beschleunigungsraten.

Polycarbonat:

Es handelt sich um ein thermoplastisches Polymer, dessen chemische Struktur Carbonate enthält. Polycarbonat wird in vielen Anwendungen eingesetzt, von kugelsicheren Westen bis hin zu CDs. Polycarbonat eignet sich gut für Anwendungen, bei denen Sichtbarkeit erforderlich ist, wie beispielsweise bei Inspektionsrobotern.

Immobilien

• Transparent, hitzebeständig, langlebig und flexibel

Anwendungen

Sensorkuppeln: Schützt Bildverarbeitungssysteme in autonomen Robotern (AMRs)

Sicherheitsschilde: Wird in bruchsicheren Fenstern für Industrieroboter verwendet

Fortschrittliche Kunststoffe: PEEK 450G und ULTEM 1000

Moderne Kunststoffe gelten als Hochleistungspolymere und werden dort eingesetzt, wo die Materialqualität keine Rolle spielt. Zu den modernen Kunststoffen gehören beispielsweise PEEK 450G und ULTEM 1000.

PEEK 450G

PEEK ist der Standard für Polyetheretherketon in Polymeren, und 450 G bezeichnet seinen Gewichtsbereich.

Immobilien

• Hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit, chemische Beständigkeit, Biokompatibilität und gute Bearbeitbarkeit

Anwendungen

Leiterplattenträger: Es widersteht statischer Entladung in Halbleiter-Handhabungsrobotern

Flammhemmende Gehäuse: Es entspricht UL94 V-0 in batteriebetriebenen Logistikrobotern.

ULTEM 1000

ULTEM 1000 ist ein ungefülltes amorphes thermoplastisches Polyetherimid (PEI)-Material.

Immobilien

• Hohe Festigkeit und Steifigkeit, jedoch geringer als bei PEEK
• Dauerhaft temperaturbeständig bis 170 °C
• Feuerresistent
• Einfach zu bearbeiten und herzustellen
• Beständig gegen chemische Reaktionen

Anwendungen

• Wird in der Elektronik verwendet, Gehäuse für Kunststoffroboter
• Am besten für Umgebungen mit Brandgefahr, z. B. kollaborative Roboter

Verbundwerkstoffe: Die Vorteile von Metallen und Kunststoffen

Verbundwerkstoffe zählen zu den modernsten Werkstoffen der Gegenwart. Ein Verbundwerkstoff vereint Eigenschaften zweier verschiedener Materialien. Beispielsweise besteht bei einem Metall-Metall-Verbundwerkstoff die Matrix aus einem beliebigen Metall und die Verstärkung kann aus Keramikpartikeln usw. bestehen, sodass der Verbundwerkstoff Eigenschaften beider Materialien, d. h. Duktilität und Festigkeit, vereint.

Kohlefaser vs. Fiberglas vs. Kevlar

Kohlefaser, Glasfaser und Kevlar sind die häufigsten Verstärkungen in Verbundwerkstoffen. Werfen wir einen genaueren Blick auf ihre Eigenschaften.

Kohlefaser: Stärkste und leichteste

Obwohl Kohlefaser das stärkste und leichteste Material ist, ist sie teuer. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wird sie häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. In Formel-Rennwagen wird sie beispielsweise in Scheibenbremsen verwendet.

• Es wird im Spot-Roboter von Boston Dynamics und den Mars-Rovers der NASA eingesetzt

Fiberglas: Billiger, aber schwerer

Gute Festigkeit, aber niedriger und schwerer als Kohlefaser. Es ist kostengünstig.

Anwendungen

• Drohnenrahmen
• Endeffektoren: In abrasiven Umgebungen wird es für glasfaserverstärkte Greifer verwendet
• Wird in Schutzpaneelen von Robotern verwendet

Kevlar: Bester Aufprallschutz

Kevlarfasern sind für ihre hohe Schlagfestigkeit bekannt. Ihre sonstigen mechanischen Eigenschaften sind nicht so gut wie die von Kohlefasern, dafür sind sie aber leicht.

Anwendungen

Laufflächen/Räder: Für kollisionsgefährdete Roboter, eingesetzt in Kevlar-verstärkten Häuten

Schutzausrüstung: In Abbruchrobotern als Schutzschild für Sensoren

Neue Materialien: Sind sie besser als herkömmliche Optionen?

Wissenschaftler sind motiviert, neue Materialien mit besseren Eigenschaften zu finden, die gleichzeitig kostengünstig sind. Graphen und biologisch abbaubare Kunststoffe sind dabei die gängigsten Materialien. Lassen Sie uns herausfinden, wie sie zur Robotik-Revolution beitragen können.

Graphen vs. Titan: Kann es die Robotik revolutionieren?

Nachdem wir die Vor- und Nachteile neuer Materialien analysiert haben, können wir davon ausgehen, welches Material in der Robotik effektiver sein wird.

Vorteile:

Extrem festes und leichtes Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit.

Nachteile:

Seine Herstellung ist sehr schwierig, was es zu einem teuren Material macht.

Biologisch abbaubare Kunststoffe vs. herkömmliche Polymere: Umweltfreundliche Kompromisse

In letzter Zeit sind biologisch abbaubare Kunststoffe sehr nützlich geworden, da sie auf natürliche Weise in nützliche Produkte wie Wasser usw. zerfallen. Polymilchsäure ist beispielsweise ein gängiger biologisch abbaubarer Kunststoff.

Vorteile:

Umweltfreundlich und abfallarm.

Nachteile:

Geringe mechanische Eigenschaften und hohe Kosten.

Materialvergleich: Was ist das Beste für Ihren Robotertyp?

Bisher haben wir viele Materialien, Metalle, Kunststoffe, Verbundwerkstoffe und neue fortschrittliche Werkstoffe besprochen. In diesem Abschnitt werden wir sehen, welches Material für einen bestimmten Robotertyp am effektivsten sein kann.

Industrieroboter: Stahl oder moderne Verbundwerkstoffe?

Stahl ist für Roboter in der Industrie, die schwere Aufgaben erfüllen müssen, besonders langlebig. Moderne Verbundwerkstoffe sind aufgrund ihres geringen Gewichts die bessere Wahl, wenn niedriger Energieverbrauch bei hoher Geschwindigkeit erforderlich ist.

Kleine Roboter: Aluminium vs. Kohlenstofffaserkunststoffe

Kleine Roboter wie Drohnen und einige Leichtroboter. Für hohe Leistung sollten Sie Kohlefaserkunststoffe wählen, für Haltbarkeit und Schlagfestigkeit Aluminium.

Medizinroboter: Titan vs. PEEK

Für medizinische Roboter wie den Mako-Roboterarm ist Titan aufgrund seiner Festigkeit und Tragfähigkeit vorzuziehen.

PEEK eignet sich gut für leichte und röntgendurchlässige Teile.

Wie werden Robotermaterialien hergestellt und geformt?

In diesem Abschnitt werden einige wichtige Fertigungstechniken vorgestellt, um Robotermaterialien herzustellen und sie anschließend in die erforderlichen Formen zu bringen.

CNC-Bearbeitung vs. 3D-Druck: Was ist schneller und günstiger?

CNC Dienstleister

Wenn höchste Genauigkeit und enge Toleranzen bei den Teilen erforderlich sind, werden CNC-Maschinen eingesetzt. Die Herstellung dieser Maschinen ist aus jedem Material teuer.

3D-Druck

3D-Druck ist eine kostengünstigere und schnellere Fertigungstechnik in der Robotik. Sie eignet sich für Kunststoffe und Prototyping.

Gießen vs. Spritzgießen: Besser für Metalle vs. Kunststoffe?

Beim Gießen wird zunächst ein Material geschmolzen und anschließend mithilfe einer Form in die gewünschte Form gebracht. Es eignet sich für Metalle und komplexe Formen.

Für Kunststoffe eignet sich das Spritzgießen.

Häufige Probleme: Welche Materialien versagen am häufigsten?

Es gibt viele häufige Probleme, die letztendlich zu Materialversagen führen. Wir besprechen sie in diesem Abschnitt.

Rost in Stahl vs. Rissbildung in Kunststoff

Wenn Stahl unter rauen Bedingungen verwendet wird, rostet er. Dieser Rost verringert die Integrität des Stahls, was letztendlich zu dessen Versagen führt.

Bei Kunststoffen kommt es zu einer Versprödung und einem katastrophalen Versagen, wenn sie ständig Sonnenlicht oder niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind.

Hitzeschäden: Können Verbundwerkstoffe diese besser vertragen?

Es hängt von der Intensität der Hitze ab. Bei höheren Temperaturen funktionieren Metalle gut. Aber in 100^oC - 180^oC-Temperaturen sind Verbundwerkstoffe in Ordnung.

Fazit:

In diesem Artikel haben wir die gängigen Materialien für Roboterhardware und Strukturteile besprochen. Wir können feststellen, dass für Roboterhardware verschiedene Materialien verfügbar sind, die jedoch je nach den Anforderungen ausgewählt werden. Beispielsweise eignet sich Stahl sehr gut für Roboterhardware, die in der Industrie für schwere Aufgaben eingesetzt wird, während Verbundwerkstoffe für kleine Roboter oder Drohnen bevorzugt werden. Je nach Material werden unterschiedliche Fertigungsverfahren gewählt. Beispielsweise ist Spritzguss eine präzisere Wahl für die Bearbeitung von Kunststoffen. Neue Materialien, wie biologisch abbaubare Kunststoffe, kommen auf den Markt und sind für Roboterhardware nachhaltiger.

FAQ: Antworten auf Ihre Fragen zum Robotermaterial

Warum bestehen Roboter aus Metall?

Denn Metalle sind kostengünstig, gut bearbeitbar, langlebig und verfügen über gute mechanische Eigenschaften.

Was sind die 5 Hauptkomponenten eines Roboters?

1. Rahmen
2. Fortbewegungssystem
3. Sensorsystem
4. Endeffektor
5. Steckverbinder und Zubehör

Welches Metall eignet sich am besten für Roboter?

Es hängt von der Anwendung des Roboters ab, aber Stahl ist das am häufigsten verwendete Material für Roboter.

Können Roboter vollständig aus Kunststoff hergestellt werden?

Ja, das ist möglich, aber Kunststoffe sind nicht so haltbar und robust.